Chiếc máy ảnh trong túi bạn đến từ vũ trụ: Cội nguồn ít ai biết của cảm biến CMOS | Knowledge #446

Khi bạn chụp hoàng hôn hay những khoảnh khắc đời thường, công nghệ trong tay bạn thực chất được phát triển cho các sứ mệnh thám hiểm không gian. Hiện nay, "cảm biến CMOS Active Pixel Sensor (APS)" – trái tim của điện thoại thông minh và máy ảnh mirrorless – được sản xuất khoảng 7 tỷ chiếc mỗi năm. Công nghệ này, còn được gọi là "camera-on-a-chip", ra đời vào đầu những năm 1990 tại Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của .

Năm 1992, Tiến sĩ Eric Fossum nhận nhiệm vụ từ : "Thu nhỏ máy ảnh cho các chuyến du hành liên hành tinh." Thời điểm đó, máy ảnh số chủ yếu sử dụng cảm biến CCD, vốn tiêu thụ nhiều điện năng và cồng kềnh – một thách thức lớn trong môi trường không gian với nguồn lực hạn chế.

Điểm đột phá của Tiến sĩ Fossum là ứng dụng công nghệ "truyền điện tích trong pixel bằng lấy mẫu kép tương quan" vốn dùng cho CCD vào công nghệ CMOS. Thời đó, cảm biến CMOS nổi tiếng là nhiều nhiễu, nhưng bằng cách đo ánh sáng hai lần và lấy hiệu số, nhược điểm này đã được cải thiện đáng kể.

Cảm biến Active Pixel ra đời đã mang lại ba lợi thế quyết định cho NASA:

• Tiết kiệm năng lượng: Hoạt động với mức tiêu thụ điện thấp hơn nhiều so với CCD.
• Chống bức xạ: Thiết kế chịu được bức xạ mạnh trong không gian.
• Thu nhỏ kích thước: Tích hợp toàn bộ hệ thống lên một chip, vừa nhanh vừa nhỏ gọn.

Ban đầu, khá thận trọng khi áp dụng công nghệ này, nhưng Tiến sĩ Fossum tin tưởng: "Đây không chỉ hữu ích cho không gian mà còn cho cả Trái Đất." Sau khi được ứng dụng trong nội soi viên nang y tế và cảm biến trên xe hơi, công nghệ này đã gặp "ứng dụng sát thủ" là điện thoại di động.

Đến năm 2026, công nghệ do phát triển tiếp tục tiến hóa. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Rochester (RIT) đang phát triển "CMOS cảm biến photon đơn (SPSCMOS)" – cảm biến có độ nhạy cao đến mức có thể phát hiện và phân tích từng photon riêng lẻ, được xem là công nghệ then chốt cho sứ mệnh trong tương lai.

Bằng cách làm lạnh cảm biến xuống 250K, dòng điện tối (dark current) được giảm đến mức chỉ còn một electron trong 30 phút. Chính nhờ độ chính xác này, các nhà khoa học mới có thể phát hiện các "dấu hiệu sinh học" như oxy hay methane trong khí quyển của các ngoại hành tinh xa xôi.

Ghi nhận tác động to lớn của phát minh này, Tiến sĩ Eric Fossum đã được trao Giải thưởng Charles Stark Draper năm 2026. Thách thức bắt đầu từ mong muốn ghi lại vũ trụ xa xôi nay đã trở thành công cụ gần gũi nhất kết nối đời sống hàng ngày của chúng ta, đồng thời đưa nhân loại tiến gần hơn đến câu hỏi chung: "Liệu chúng ta có cô đơn trong vũ trụ?"